Zinkoxid spaltet Wasser: RUB-Chemiker belegen katalytisch wichtigen Prozess

Während einzelne Wassermoleküle auf Zinkoxid stabil sind, führt Paarbildung zur Spaltung eines der Partner. Resultat ist ein kompliziertes Muster adsorbierter Moleküle, das durch Beugungsmethoden und direkte mikroskopische Messungen nachgewiesen werden kann.

Oxidierte Metalle hielt man bisher für chemisch sehr träge – zu Unrecht, wie Chemiker der Ruhr-Universität Bochum (Lehrstuhl für Angewandte Chemie, Prof. Dr. Christof Wöll) in Zusammenarbeit mit Kollegen der Universität Tulane (New Orleans, USA) nachweisen konnten. Sie erkannten, dass Zinkoxid Wassermoleküle dazu anregt, Paare zu bilden und ein Wasserstoff-Atom abzuspalten. Dieser Vorgang ist für katalytische Prozesse – etwa die industriell häufig genutzte Methanolsynthese – von großer Bedeutung. Ihre Ergebnisse haben die Forscher in der Fachzeitschrift „Angewandte Chemie“ veröffentlicht.
Oxidierte Metalle hielt man bisher für chemisch sehr träge – zu Unrecht, wie Chemiker der Ruhr-Universität Bochum (Lehrstuhl für Angewandte Chemie, Prof. Dr. Christof Wöll) in Zusammenarbeit mit Kollegen der Universität Tulane (New Orleans, USA) nachweisen konnten. Sie erkannten, dass Zinkoxid Wassermoleküle dazu anregt, Paare zu bilden und ein Wasserstoff-Atom abzuspalten. Dieser Vorgang ist für katalytische Prozesse – etwa die industriell häufig genutzte Methanolsynthese – von großer Bedeutung. Ihre Ergebnisse haben die Forscher in der Fachzeitschrift „Angewandte Chemie“ veröffentlicht.

Erster Hinweis: Ein kompliziertes Muster

Wenn ein Regentropfen auf eine Oberfläche fällt, kann er abperlen oder haften, auf heißen Flächen verdampft das Wasser, auf kalten gefriert es. Dabei bleibt es aber stets Wasser. „Chemisch betrachtet ist Wasser aber auch ein Molekül, das durch bestimmte Reaktion verändert oder zersetzt werden kann“, erklärt Prof. Wöll. „Das Rosten von Eisen in Kontakt mit Wasser ist ein (leider) alltägliches Phänomen.“ Dass aber auch oxidierte Metalle in der Lage sind, Wasser zu spalten, war für die Forscher dagegen überraschend: Bei detaillierten Messungen an Zinkoxid, einem Material das in vielen Kosmetikartikeln (Zahnpasta, Sonnenschutzcreme) und für weiße Farbe Verwendung findet, stellten sie fest, dass Wasserdampf auf der Oxidoberfläche schon bei Zimmertemperatur ein kompliziertes Muster ausbildet. Wie kann das sein, wenn oxidierte Oberflächen wie bisher angenommen, chemisch träge sind?

Überraschung: Wassermoleküle bilden Paare

Die Chemiker stellten theoretische Berechnungen an einzelnen Wassermolekülen an, die zunächst die Erwartung bestätigten, dass das Zinkoxid nicht mit Wasser reagiert. Erst detailliertere Untersuchen ergaben dann den überraschenden Befund, dass jeweils zwei Moleküle ein Paar bilden, vom dem sich dann ein H-Atom abspaltet. Dieses Zerbrechen des Wassers, bei dem die unzersetzten Wassermoleküle eine entscheidende Helferrolle einnehmen, ist von erheblicher Bedeutung unter anderem für katalytische Prozesse, z.B. bei der Methanolsynthese an Zinkoxidpulvern, die in Bochum im Sonderforschungsbereich „Metall-Substrat-Wechselwirkungen in der heterogenen Katalyse“ (SFB 558) erforscht wird.

Titelaufnahme

Bernd Meyer, Dominik Marx, Olga Dulub, Ulrike Diebold, Martin Kunat, Deler Langenberg, Christof Wöll: Partielle Dissoziation von Wasser führt zu stabilen Überstrukturen auf der Oberfläche von Zinkoxid. In: Angewandte Chemie, Volume 116, Issue 48, Date: December 10, 2004, Pages: 6809-6814, www3.interscience.wiley.com/cgi-bin/fulltext/109856663/HTMLSTART

Weitere Informationen

Prof. Dr. Christof Wöll, Lehrstuhl für Physikalische Chemie I, Fakultät für Chemie der Ruhr-Universität Bochum, 44780 Bochum, NC 5/ 74Tel. 0234/32-25529, Fax: 0234/32-14182
woell@pc.ruhr-uni-bochum.de

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Dr. Josef König idw

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